计算机组成原理第3章zy

第三章系统总线3.1总线的基本概念3.2总线的分类3.3总线特性及性能指标3.4总线结构3.5总线控制计算机系统中存储器、CPU等功能部件之间必须互联，才能组成计算机系统。部件之间的互联方式:分散连接：各部件之间通过单独的连线互联总线连接：将各个部件连接到一组公共信息传输线上。总线结构的两个主要优点是灵活：体现在新加部件可以很容易地加到总线上并且部件可以在使用相同总线的计算机系统之间互换低成本。现代计算机普遍使用的是总线互联结构。3.1总线的基本概念一、什么是总线二、总线上信息的传送总线是连接各个部件的信息传输线是各个部件共享的传输介质串行并行总线通常由许多传输线或通路构成，在并行传输条件下，每条线可传输一位二进制信息，若干条线可同时传输多位二进制信息。三、总线结构计算机举例1.面向CPU的双总线结构框图中央处理器CPUI/O总线M总线3.1主存储器

M.MI/O接口

外部设备1

外部设备2……I/O接口I/O接口

外部设备n单总线（系统总线）2.单总线结构框图CPUM.MI/O接口

外部设备1

外部设备2I/O接口…

外部设备nI/O接口…3.13.以存储器为中心的双总线结构框图系统总线M.MCPUI/O接口

外部设备1…

外部设备nI/O接口…存储总线3.13.2总线的分类3.2.1片内总线3.2.2系统总线芯片内部的总线数据总线地址总线控制总线双向与机器字长、存储字长有关单向与存储地址、I/O地址有关有出有入计算机各大部件之间的信息传输线存储器读、存储器写总线允许、中断确认中断请求、总线请求3.2.3通信总线串行通信总线并行通信总线传输方式3.2用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信适于远距离传送，可从几米到达数千米。适于近距离传送，通常小于30米。3.3总线特性及性能指标CPU插件板M.M插件板I/O插件板总线物理实现BUS1.机械特性2.电气特性3.功能特性4.时间特性3.3.1总线特性尺寸形状传输方向和有效的电平范围每根传输线的功能信号的时序关系3.3地址数据控制是指总线在机械物理连接上的特性。包括连线类型、数量、接插件的几何尺寸和形状以及引脚线的排列等。指总线的每一条信号线的信号传递方向、信号的有效电平范围。通常规定由CPU发出的信号为输出信号，送入CPU的信号为输入信号。不同的控制线功能不同，如地址线用来传输地址信息，数据线用来传输数据信息，控制线用来发出控制信息。指总线中任一根传输线在什么时间内有效，以及每根线产生的信号之间的时序关系。三、总线的性能指标1.总线宽度2.标准传输率3.时钟同步/异步4.总线复用5.信号线数6.总线控制方式7.其他指标数据线的根数：每秒传输的最大字节数（MB／s）指总线在单位时间内所能达到的最高传输速率，单位是MB/S。它是衡量总线性能的重要技术指标。同步、不同步地址线与数据线复用地址线、数据线和控制线的总和负载能力即驱动能力、电源电压、总线宽度能否扩展等。突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。3.3例1某网络每秒发出30次访问请求，每次请求的数据量为64KB。问100M的网络能否承受该访问？解：30*64K*8=15360Kb=15Mb<100MbISAEISAVL-BUSPCI模块系统总线标准四、总线标准系统模块3.3标准界面ISA/EISAISA总线是IBM公司为286计算机制定的工业标准总线。该总线的总线宽度是16位，总线频率为8MHz。EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture即扩展工业标准结构总线）是为32位中央处理器（386、486、586等等）设计的总线扩展工业标准。EISA总线包括ISA总线的所有性能外，还把总线宽度从16位扩展到32位、总线频率从8.3MHz提高到16MHzISA总线VESAvideoelectronicsstandardassociation1）VESA总线是1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为VL(VESAlocalbus)总线2）该总线系统考虑到CPU与主存和Cache的直接相连，通常把这部分总线称为CPU总线或主总线，其他设备通过VL总线与CPU总线相连，所以VL总线被称为局部总线。3)数据、地址总线宽度均为32位。寻址空间为4GB。总线最高传输率为132MB/S.4)是一种高速、高效的局部总线，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。PCIPCI（PeripheralComponentInterconnect即连接外部设备的计算机内部总线）是美国SIG（即美国计算机协会专业集团）推出的新一代64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80Mbyte/s(峰值传输率为132Mbyte/s)。早期的486系列计算机主板采用ISA总线和EISA总线，而奔腾（Pentium）或586系列计算机主板采用了PCI总线和EISA总线。PCI总线特点支持总线主控技术，允许智能设备在适当的时候取得总线控制权以加速数据传输和对高度专门化任务的支持。支持猝发传输模式.PCI能在极短时间内发送大量数据。不受CPU速度和结构的限制。与ISA／EISA／MCA兼容。预留扩展空间，支持64b数据和地址。设有特别的缓存，实现外设与CPU隔离，外设或CPU的单独升级都不会带来问题。数据宽度32b，时钟频率33MHz时，最大数据传输速率为133MB/s。同步时序、集中式仲裁PCI总线局限性多PCI设备共享总线的带宽。多PCI设备共享一组信号线，因此受插板插入位置的影响，会产生微妙的信号畸变。实际上在33MHz的PCI总线情况下，只能用到4个插槽；在66MHz下，只能用到2个插槽。在PCI总线中是采用内存映射I/O，这也影响了系统的整体性能。CPU读写动作频率要与PCI总线的动作频率同步，所以就延缓了CPU指令的执行速度。

AGP总线就是局部总线的一种。AGP（AcceleratedGraphicsPort）即高速图形接口。专用于连接主板上的控制芯片和AGP显示适配卡，为提高视频带宽而设计的总线规范。AGP不但可以带来更快的视频性能，而且还允许AGP显卡直接访问系统内存大大缓解了对于显存容量的需要，有效的控制了显卡的制造成本。

AGP3.4总线结构一、单总线结构单总线（系统总线）CPUM.MI/O接口

外部设备1

外部设备2I/O接口…

外部设备nI/O接口…单总线结构特点a.访内和访外指令相同,由地址来处分,减少了一类I/O指令b.总线简单，使用灵活，易于扩展c.所有设备分时工作，适用于慢速的小型或微型计算机系统中d.适用于高速外设的情况e.任意两外设之间可以直接交换信息(其中主设备需有总线控制能力)1.双总线结构具有特殊功能的处理器由通道对I/O统一管理通道I/O接口设备n

……I/O接口设备0

CPU主存主存总线I/O总线二、多总线结构3.4双总线结构特点在单总线结构的基础上增加主存总线组成a.由于外设和内存分处与不同总线，分访内和访外指令。b.主存总线的增加减轻了系统总线的负担，提高了并行性。c.仍然保持了单总线结构的系统简单、易于扩充的优点。2.三总线结构主存总线DMA总线I/O总线CPU

主存设备1设备n高速外设I/O接口I/O接口I/O接口……3.4三总线结构特点在双总线结构的基础上增加I/O总线组成a.由于外设和内存分处与不同总线，分访内和访外指令。b.并行性进一步提高，通道处理机分担了部分CPU的I/O功能。3.三总线结构的又一形式3.4局域网系统总线CPUCache局部总线扩展总线接口扩展总线Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存小型计算机接口4.四总线结构主存扩展总线接口局域网SCSI多媒体CPU调制解调器串行接口FAX系统总线局部总线高速总线扩展总线图形Cache/桥3.41.传统微型机总线结构三、总线结构举例存储器SCSIII控制器主存控制器ISAEISA8MHz16位数据通路标准总线控制器33MHz32位数据通路系统总线调制解调器多媒体高速局域网高性能图形CPU…3.42.VL-BUS局部总线结构33MHz的32位数据通路系统总线ISAEISA多媒体高速局域网高性能图形调制解调器图文传真8MHz的16位数据通路标准总线控制器CPU主存控制器存储器局部总线控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……3.43.PCI总线结构CPU多媒体PCI桥高速局域网高性能图形调制解调器图文传真PCI总线系统总线33MHz的32位数据通路8MHz的16位数据通路ISAEISA标准总线控制器SCSIⅡ

控制器存储器3.44.多层PCI总线结构PCI总线2存储器桥0桥4PCI设备桥5总线桥桥3桥1设备桥2第一级桥第二级桥第三级桥PCI总线4PCI总线5PCI总线3PCI总线1PCI总线0存储器总线

标准总线CPU3.4当代流行的总线——其内部结构如图北桥南桥3.5总线控制一、总线判优控制总线判优控制分布式集中式主设备(模块)对总线有控制权从设备(模块)响应从主设备发来的总线命令1.基本概念链式查询计数器定时查询独立请求方式2.链式查询方式总线控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG数据线地址线BS

-总线忙BR-总线请求BG-总线同意3.5I/O接口1•工作过程分析:设备N向总线控制器发总线使用请求总线控制器检查BS信号若BS=0总线控制器发BG信号BG按照设备的物理连接次序查询,直到找到第一个发出BR的设备置BS=1.•

如果有2个设备都发出了总线使用请求,此时响应哪一个设备?离总线控制器近的设备.•优点:a.设备扩充容易。b.控制器简单•缺点:a.优先级由设备的物理位置确定，设置不灵活，优先级低的设备很难获得请求。b.单点故障明显c.响应速度慢0BS

-总线忙BR-总线请求总线控制部件数据线地址线I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n设备地址3.计数器定时查询方式I/O接口13.5计数器设备地址1•工作过程分析:设备N向总线控制器发总线使用请求总线控制器检查BS信号若BS=0计数器开始计数当计数值等于发出BR请求的设备号时，设备得到总线使用权置BS=1•

设备的优先级别能否改变，若能，则如何改变?改变计数器的计数初始值.•优点:a.不存在单点故障b.优先级改变灵活(

如何体现？)•缺点:a.设备扩充较困难(增加计数线数量)，复杂性提高。b.响应速度较慢排队器排队器4.独立请求方式总线控制部件数据线地址线I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意BR-总线请求3.5•工作过程分析:所有设备通过各自独立的BR线向控制器发总线使用请求总线控制器经过裁决通过独立的BG线响应请求•

设备的优先级如何确定?由控制器中的裁决器按照一定的策略确定(可编程)•优点:a.不存在单点故障b.优先级改变灵活c.响应速度快•缺点:a.线数与设备的数量有关，设备扩充较困难。b.控制器的设计复杂二、总线通信控制1.目的2.总线传输周期主模块申请，总线仲裁决定主模块向从模块给出地址和命令主模块和从模块交换数据主模块撤销有关信息申请分配阶段寻址阶段传数阶段结束阶段解决通信双方协调配合问题3.5由统一时标控制数据传送充分挖掘系统总线每瞬间的潜力同步通信异步通信

半同步通信

分离式通信

3.总线通信的四种方式采用应答方式，没有公共时钟标准同步、异步结合3.5同步通信实现方式方式1:总线控制器中设置统一的时钟系统，并发给所有部件。

方式2:各部件自配时钟发生器，但须与中央时钟同步。(1)同步式数据输入T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

读命令数据3.5(2)同步式数据输出T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

写命令数据3.5例1

设一个32位的处理器有16位外部数据总线,时钟频率为50MHZ,若总线传输的最短周期为4个时钟周期,问处理器的最大数据传输率是多少?若想提高一倍数据传输率,可采用什么措施?解:数据传输率即单位时间内(1秒)传输的数据量数据传输率=2B*50MHz/4=25MBps要把总线的数据传输率提高一倍,可采取的方法有三种:1)数据总线的宽度提高到32位,此时:

数据传输率=4B*50MHz/4=50MBps2)将总线的时钟频率提高到100MHZ,此时:

数据传输率=2B*100MHz/4=50MBps3)将传输的最短时间缩短为2个时钟周期,此时:

数据传输率=2B*50MHz/2=50MBps同步通信的优缺点•优点:1.时序关系简单，实现简单，模块间的配合简单一致。2.规定明确、统一。•缺点：1.主、从模块时间配合属于强制性“同步”2.设备速度不一致时按最坏情况确定，传输线不能太长(时钟相移)，严重影响总线工作效率。3.设计有局限性，不灵活不互锁半互锁全互锁(3)异步通信3.5主设备从设备请求回答单机多机网络通信

起止式异步串行通信协议—面向字符串行、不互锁方式0/1